TW201624873A - 電動車刹車回充控制系統及方法 - Google Patents

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Abstract

一種電動車刹車回充控制系統，包括電樞電流採集單元、計算單元及回充模式調節單元，該電樞電流採集單元用於採集電動車電機的三相電樞電流，該計算單元根據該三相電樞電流確定電機回充功率與電樞電流相位角的關係，計算相同電樞電流下的最佳相位角以及相同電樞電壓下的第一限制電流及第二限制電流，並生成相位回充路徑，該相位回充路徑包括最佳回充路徑、次佳回充路徑與耗能回充路徑，該回充模式調節單元用於調節電動車電機的回充電流到最佳回充路徑、次佳回充路徑或耗能回充路徑。另，本發明還提供一種電動車刹車回充控制方法。

Description

電動車刹車回充控制系統及方法
本發明涉及電動車控制領域，尤其涉及一種電動車刹車回充控制系統及方法。
現今純電動車的驅動電機可同時兼顧驅動與刹車回充的功能，刹車回充技術是指駕駛放開油門或踩下刹車時，由車體慣性帶動電機，並透過電機驅動器的切換策略，使車體動能轉為電池回充能量的技術。目前此技術由不同的驅動器切換策略可分許多不同類型，大致可以分為六步導通控制與磁場導向控制兩種類型。六步導通控制將一個電機週期分為六個步驟驅動，且其相電流波形為類方波，而磁場導向控制隨著不同的電機角度調整電壓大小，使其相電流波形型成類弦波，因此磁場導向控制具有效率高、震動小等特性。永磁無刷電機因其磁鐵擺放位置也有兩種不同型式，其一為表面貼磁式，此種電機轉子磁鐵貼於轉子表面，其二為內藏磁鐵式，此種電機轉子磁鐵內藏於電機轉子矽鋼片中。由於內藏磁鐵式的電機轉子具有凸極效應，使電機電感投影至同步旋轉二坐標軸時，二軸電感將產生差異，也因此衍生出弱磁控制等控制方法。除此之外，磁鐵內藏的結構也有利於電機高速下的結構強度，因此內藏磁鐵式電機相較於表面貼磁式電機更有利於電動車輛的應用。
目前，磁場導向控制在電動車刹車回充控制中的應用主要有兩種：其一為表面貼磁式電機的最大限制電流回充控制，當超出此電流限制後，刹車產生的機械能將轉由電機電阻消耗使刹車效率降低，但該控制方法並不適用於內藏磁鐵式電機；其二為內藏磁鐵式電機單位電流最大力矩磁場導向回充控制，此方法能有效提升內藏磁鐵式電機的磁場導向回充控制效率，但沒有針對最大回充電流限制作定義，也沒有考慮次佳回充與耗能回充等情形。
針對上述問題，有必要提供一種控制效果更好的電動車刹車回充控制系統。
另，本發明還提供一種電動車刹車回充控制方法。
一種電動車刹車回充控制系統，用於控制電動車電機的刹車回充電流，該電動車刹車回充系統包括電樞電流採集單元、計算單元及回充模式調節單元，該電樞電流採集單元用於採集電動車電機的三相電樞電流，該計算單元根據上述三相電樞電流確定電機回充功率與電樞電流相位角的關係，計算相同電樞電流下的最佳相位角以及相同電樞電壓下的第一限制電流及第二限制電流，並根據該最佳相位角生成相位回充路徑，該相位回充路徑包括最佳回充路徑、次佳回充路徑與耗能回充路徑，該回充模式調節單元用於比較電樞電流與該第一限制電流及第二限制電流的大小並根據比較結果調節電動車電機的回充電流到最佳回充路徑、次佳回充路徑或耗能回充路徑。
一種電動車刹車回充控制方法，應用於上述電動車刹車回充控制系統中，該電動車刹車回充控制方法包括步驟：
採集步驟，以採集所述電機三相電樞繞組的電流、和；
計算步驟，以確定電機回充功率與電樞電流相位角的關係，計算相同電樞電流下的最佳相位角以及相同電樞電壓下的第一限制電流及第二限制電流，並根據該最佳相位角生成相位回充路徑，該相位回充路徑包括最佳回充路徑、次佳回充路徑與耗能回充路徑；
調節步驟，以比較電樞電流與該第一限制電流及第二限制電流的大小並根據比較結果調節電動車電機的回充電流到最佳回充路徑、次佳回充路徑或耗能回充路徑。
所述電動車刹車回充控制方法通過調整回充電流相位角，實現最佳相位角下的回充電流控制，並通過將回充電流限制到所述相位回充路徑上由該第一限制電流與第二限制電流劃分形成的最佳回充路徑、次佳回充路徑和耗能回充路徑，從而形成最佳回充、次佳回充與耗能回充三種回充模式，能有效提升電動車刹車回充效率。
圖1為本發明較佳實施方式的電動車刹車回充控制系統的原理框圖。
圖2為圖1所示電動車刹車回充控制系統的坐標系定義示意圖。
圖3為圖1所示電動車刹車回充控制系統的電機的電樞電流與d-q軸電流的關係示意圖。
圖4為圖1所示電動車刹車回充控制系統的回充電流向量圖。
圖5為本發明較佳實施方式的電動車刹車回充控制方法的流程圖。
本發明提供一種基於磁場導向控制的電動車刹車回充控制系統100，通過調整電動車刹車回充電流相位角，實現單位電流的最大轉矩控制，提升電動車電機的電流回充效率。在本實施例中，所述電機為內藏磁鐵式永磁無刷電機，包括定子和轉子。其中，定子為三相電樞繞組，包括在空間位置上互差120度的A相繞組、B相繞組和C相繞組。該轉子內藏永磁鐵，並能相對於所述三相電樞繞組旋轉。
請一併參閱圖1和圖2，該電動車刹車回充控制系統100包括電樞電流採集單元110、計算單元130及回充模式調節單元150。該計算單元130包括座標變換單元131、回充功率計算單元133、最佳相位角計算單元135、最佳回充電流計算單元137及次佳回充電流計算單元139。該電樞電流採集單元110用於採集所述電機三相電樞繞組的電流、和。該座標變換單元131用於將表徵於在一預設的三軸二維坐標系A-B-C中的所述三相電樞繞組的電流、和通過一預設的第一座標變換規則變換為表徵於一固定軸坐標系α-β對應的二固定軸電流、，然後根據一預設的第二座標變換規則將該二固定軸電流、變換為表徵於一旋轉軸坐標系d-q對應的二旋轉軸電流、。在本實施例中，所述第一座標變換規則為Clarke變換，所述第二座標變換規則為Park變換。該回充功率計算單元133用於根據該座標變換單元131變換所得的二旋轉軸電流、計算電機的回充功率，並根據電樞電流相位角與二旋轉軸電流、的關係確定回充功率與電樞電流相位角的關係。該最佳相位角計算單元135用於計算相同電樞電流下的最佳相位角，並根據該最佳相位角繪製相位回充路徑。該最佳回充電流計算單元137用於計算相同電樞電壓下的最佳回充電流限制點。該次佳回充電流計算單元139用於計算相同電樞電壓下的次佳回充電流限制點。該回充模式調節單元150用於根據該最佳回充電流限制點及次佳回充電流限制點調節該電機的回充電流。
在圖2所示坐標系中，為電機轉子的位置角度，S為電機轉子磁鐵的南極，N為電機轉子磁鐵北極。該電樞電流採集單元110採集到的電機三相電樞繞組的電流、和經該座標變換單元131變換為旋轉軸坐標系d-q對應的二旋轉軸電流、。該回充功率計算單元133根據所述二旋轉軸電流、計算電機的回充功率如下方程式(1)：
=方程式(1)
其中，為電機電樞直流端電壓，為電機電樞直流端電流，為電機電樞的相電阻，為電機的電磁轉矩，、分別為二旋轉軸d軸與q軸對應的電感，為電機轉子旋轉角速度，為轉子磁鐵的磁通，為電機極數。
圖3所示為本發明電動車刹車回充控制方法的電機的電樞電流與二旋轉軸電流、的關係示意圖。電樞電流與二旋轉軸電流、的關係滿足如下方程式(2)：
方程式(2)
其中為電樞電流相位角。該回充功率計算單元133將電樞電流與二旋轉軸電流、的關係，即方程式(2)，代入方程式(1)即可計算得到回充功率與電樞電流相位角的關係如下方程式(3)：
方程式(3)
方程式(3)即為電機回充功率方程式，即為電機回充功率。在本實施例所述的刹車回充過程中，該電機電樞直流端電流及電機的電磁轉矩均為負值。
該最佳相位角計算單元135將回充功率對電樞電流相位角進行偏微分且令二次偏微分大於零，得到相同電樞電流下的最佳相位角，如下方程式(4)所示：
方程式(4)
該最佳回充電流計算單元137將回充功率對電樞電流偏微分並使偏微分結果為零，得到相同電樞電壓下最佳回充電流I1 的限制方程如下：
方程式(5)
由於當電樞電流大於次佳回充電流限制後，刹車產生的機械能將轉由電阻功率所消耗，此時將沒有任何回充電流；相反的，隨著電樞電流超出次佳回充電流限制，直流端將開始輸出電流提供所需的刹車機械能，即進入了耗能刹車模式，由此可知，所述次佳回充電流限制即為電機電樞直流端電流由回充轉為輸出的分界點，該次佳回充電流計算單元139將代入方程式(3)，可得次佳回充電流I2 的限制方程如下：
方程式(6)
圖4所示本發明較佳實施方式的電動車刹車回充控制系統的回充電流向量圖。其中，回充電流向量37可分解為d軸方向上的第一分量371與q軸方向上的第二分量372，其中第一分量371即為d軸電流，第二分量372即為q軸電流。將電樞電流(為最大電樞電流限制)代入方程式(4)可計算出最佳相位角，再由方程式(2)計算出d-q軸電流和，繪製d-q軸電流和形成的向量路徑即得到相位回充路徑30，所述相位回充路徑30與最大電樞電流限制圓38相交於節點36。其中，該最大電樞電流限制圓38以旋轉軸坐標系d-q原點為圓心，以為半徑。由方程式(5)可計算出電機在最佳回充模式下的第一限制電流34，該第一限制電流34位於相位回充路徑30上。由方程式(6)可計算出電機在次佳回充模式下的第二限制電流35，該第二限制電流35位於相位回充路徑30上，且該第二限制電流35與d-q坐標系原點的距離大於該第一限制電流34與d-q坐標系原點的距離。該第一限制電流34和第二限制電流35將該相位回充路徑30劃分為最佳回充路徑31、次佳回充路徑32和耗能回充路徑33，其中，最佳回充路徑31位於d-q坐標系原點與第一限制電流34之間，次佳回充路徑32位於第一限制電流34和第二限制電流35之間，耗能回充路徑33位於第二限制電流35和節點36之間。因此，若將回充電流限制於最佳回充路徑31上，即為最佳回充模式；若將回充電流限制於次佳回充路徑32上，即為次佳回充模式；若將回充電流限制於耗能回充路徑33上，即為耗能回充模式。
請參閱圖5，本發明較佳實施例的電動車刹車回充控制方法包括如下步驟：
步驟S1：該電樞電流採集單元110採集所述電機三相電樞繞組的電流、和；
步驟S2：該座標變換單元131將表徵於在一預設的三軸二維坐標系A-B-C中的所述三相電樞繞組的電流、和通過一預設的第一座標變換規則變換為表徵於一固定軸坐標系α-β對應的二固定軸電流、，然後根據一預設的第二座標變換規則將該二固定軸電流、變換為表徵於一旋轉軸坐標系d-q對應的二旋轉軸電流、；
步驟S3：該回充功率計算單元133用於根據該座標變換單元131變換所得的二旋轉軸電流、計算電機的回充功率，並根據電樞電流相位角與二旋轉軸電流、的關係確定回充功率與電樞電流相位角的關係；
步驟S4：該最佳相位角計算單元135計算相同電樞電流下的最佳相位角及對應的相位回充路徑；
步驟S5：該最佳回充電流計算單元137計算相同電樞電壓下的第一限制電流34；
步驟S6：該次佳回充電流計算單元139計算相同電樞電壓下的第二限制電流35；
步驟S7：該回充模式調節單元150用於根據該第一限制電流34及第二限制電流35調節該電機的回充電流，其中，回充模式調節單元150將回充電流限制於該最佳回充路徑31上即為最佳回充模式；將回充電流限制於該次佳回充路徑32上即為次佳回充模式；將回充電流限制於該耗能回充路徑33上即為耗能回充模式。
所述電動車刹車回充控制系統及方法通過調整電樞電流相位角，實現最佳相位角下的單位電流最大轉矩控制，並計算出最佳相位角下的d-q軸電流和，繪製d-q軸電流和形成的向量路徑從而得到相位回充路徑30。同時，還對回充電流的變化階段進行區分，通過設置不同的計算條件，得到位於相位回充路徑30上的最佳回充電流限制的第一限制電流34與次佳回充電流限制的第二限制電流35，通過將回充電流限制到所述相位回充路徑30上，由該第一限制電流34與第二限制電流35劃分形成的最佳回充路徑31、次佳回充路徑32和耗能回充路徑33，從而形成最佳回充、次佳回充與耗能回充三種回充模式。利用該電動車刹車回充控制系統及方法能有效提升電動車刹車回充效率。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例，並非是對本發明作任何形式上的限定。另外，本領域技術人員還可在本發明精神內做其它變化，當然，這些依據本發明精神所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的範圍之內。
30‧‧‧相位回充路徑
31‧‧‧最佳回充路徑
32‧‧‧次佳回充路徑
33‧‧‧耗能回充路徑
34‧‧‧第一限制電流
35‧‧‧第二限制電流
36‧‧‧節點
37‧‧‧回充電流向量
371‧‧‧第一分量
372‧‧‧第二分量
38‧‧‧最大電樞電流限制圓
100‧‧‧電動車刹車回充控制系統
110‧‧‧電樞電流採集單元
130‧‧‧計算單元
131‧‧‧座標變換單元
133‧‧‧回充功率計算單元
135‧‧‧最佳相位角計算單元
137‧‧‧最佳回充電流計算單元
139‧‧‧次佳回充電流計算單元
150‧‧‧回充模式調節單元
無
100‧‧‧電動車刹車回充控制系統
110‧‧‧電樞電流採集單元
130‧‧‧計算單元
131‧‧‧座標變換單元
133‧‧‧回充功率計算單元
135‧‧‧最佳相位角計算單元
137‧‧‧最佳回充電流計算單元
139‧‧‧次佳回充電流計算單元

Claims (10)

  1. 一種電動車刹車回充控制系統，用於控制電動車電機的刹車回充電流，其改良在於：該電動車刹車回充系統包括電樞電流採集單元、計算單元及回充模式調節單元，該電樞電流採集單元用於採集電動車電機的三相電樞電流，該計算單元根據上述三相電樞電流確定電機回充功率與電樞電流相位角的關係，計算相同電樞電流下的最佳相位角以及相同電樞電壓下的第一限制電流及第二限制電流，並根據該最佳相位角生成相位回充路徑，該相位回充路徑包括最佳回充路徑、次佳回充路徑與耗能回充路徑，該回充模式調節單元用於比較電樞電流與該第一限制電流及第二限制電流的大小並根據比較結果調節電動車電機的回充電流到最佳回充路徑、次佳回充路徑或耗能回充路徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電動車刹車回充控制系統，其中所述計算單元包括座標變換單元、回充功率計算單元、最佳相位角計算單元、最佳回充電流計算單元及次佳回充電流計算單元，該座標變換單元用於將三相電樞電流變換為二旋轉軸電流，該回充功率計算單元用於確定回充功率與電樞電流相位角的關係，該最佳相位角計算單元用於計算最佳相位角及相位回充路徑，該最佳回充電流計算單元用於計算該第一限制電流，該次佳回充電流計算單元用於計算該第二限制電流。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電動車刹車回充控制系統，其中所述二旋轉軸電流錶征於一旋轉軸坐標系內，該旋轉軸坐標系包括d軸與q軸，所述二旋轉軸電流分別為和，所述電樞電流為，該電樞電流與該電流、電流及電樞電流相位角的關係為，。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電動車刹車回充控制系統，其中所述回充功率為，其中，為電機電樞直流端電壓，為電機電樞直流端電流，為電機電樞的相電阻，為電機的電磁轉矩，、分別為d軸與q軸電感，為電機轉子旋轉角速度，為轉子磁鐵的磁通，為電機極數。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電動車刹車回充控制系統，其中所述最佳相位角的計算條件為，根據該條件由計算得到最佳相位角。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的電動車刹車回充控制系統，其中所述第一限制電流的計算條件為，根據該條件由計算得到第一限制電流。
  7. 如申請專利範圍第4項所述的電動車刹車回充控制系統，其中所述第二限制電流的計算條件為，根據該條件由計算得到第二限制電流。
  8. 一種電動車刹車回充控制方法，應用於如申請專利範圍第1項的電動車刹車回充控制系統中，該電動車刹車回充控制方法包括步驟： 採集步驟，以採集所述電機三相電樞繞組的電流、和； 計算步驟，以確定電機回充功率與電樞電流相位角的關係，計算相同電樞電流下的最佳相位角以及相同電樞電壓下的第一限制電流及第二限制電流，並根據該最佳相位角生成相位回充路徑，該相位回充路徑包括最佳回充路徑、次佳回充路徑與耗能回充路徑； 調節步驟，以比較電樞電流與該第一限制電流及第二限制電流的大小並根據比較結果調節電動車電機的回充電流到最佳回充路徑、次佳回充路徑或耗能回充路徑。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的電動車刹車回充控制方法，其中所述計算步驟包括： 將表徵於在一預設的三軸二維坐標系A-B-C中的所述三相電樞繞組的電流、和通過一預設的第一座標變換規則變換為表徵於一固定軸坐標系α-β對應的二固定軸電流、，然後根據一預設的第二座標變換規則將該二固定軸電流、變換為表徵於一旋轉軸坐標系d-q對應的二旋轉軸電流、； 計算電機的回充功率，並根據電樞電流相位角與二旋轉軸電流、的關係確定回充功率與電樞電流相位角的關係； 計算相同電樞電流下的最佳相位角及對應的相位回充路徑； 計算相同電樞電壓下的第一限制電流，其中該第一限制電流位於相位回充路徑上； 計算相同電樞電壓下的第二限制電流，其中該第二限制電流位於相位回充路徑上，該相位回充路徑被該第一限制電流和該第二限制電流劃分為最佳回充路徑、次佳回充路徑和耗能回充路徑。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的電動車刹車回充控制方法，其中所述最佳相位角的計算條件為，根據該條件由計算得到最佳相位角。
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